物理层Layer-1波束赋形5G NR 物理层波束赋形原理、处理与实现一、引言波束赋形可以在协议栈的不同层实现但物理层——通常称为第一层Layer-1L1——才是真正进行信号成形的地方。物理层波束赋形是在天线单元级别上对发送或接收信号施加复数权重幅度和相位的过程使得最终的辐射方向图聚焦于期望的空间方向。由于这些操作直接作用于波形与更高层的波束管理相比L1 波束赋形具有极低的时延和精细的控制能力。本文档聚焦于 5G 新空口NR中波束赋形的物理层方面L1 信号处理链、预编码、参考信号、基于码本和非码本的操作、硬件架构以及 L1 在整体波束管理框架中的作用。全文配有插图和表格以阐明这些概念。二、波束赋形在物理层处理链中的位置在 5G NR 下行发射机中信息比特依次经过信道编码、调制、层映射、预编码、资源元素映射、OFDM 调制IFFT最后到达连接天线阵列的射频前端。物理层波束赋形主要应用于预编码阶段在该阶段每个空间层的调制符号在映射到天线端口和物理天线单元之前会与预编码矩阵相乘。图 1物理层下行信号处理链。波束赋形应用于预编码阶段高亮部分。预编码矩阵 W 将传输层转换为每个天线端口的信号。当选择 W 使发送信号能量对准特定角度方向时阵列即可产生聚焦的波束。天线端口的数量及其到物理单元的映射决定了可实现波束的粒度。三、预编码与波束权重L1 波束赋形的核心数学运算是将数据符号与一组复数权重相乘。对于间距为 d、含 N 个单元的均匀线性阵列通过在各单元间施加渐进的相移即可产生指向角度 theta 的波束。单元 n 的权重正比于一个相位项该相位项取决于波长、间距和转向角。阵列越大产生的波束越窄、方向性越强。下图展示了当单元数从 4 增加到 16均指向 30 度时波束方向图如何变得更尖锐。图 24 单元和 16 单元的 L1 预编码波束方向图均指向 30°。四、基于码本与非码本波束赋形5G NR 支持两种确定物理层预编码权重的方法基于码本的波束赋形和非码本基于互易性的波束赋形。表 1 比较了这两种方法。方面 基于码本 非码本互易性权重来源 预定义的预编码集PMI 由估计的信道计算得出反馈 UE 上报 PMI/RI/CQI 使用上行 SRS下行反馈极少适用场景 FDD 系统 具有信道互易性的 TDD 系统灵活性 受限于码本条目 高度灵活接近最优方面 基于码本 非码本互易性权重来源 预定义的预编码集PMI 由估计的信道计算得出反馈 UE 上报 PMI/RI/CQI 使用上行 SRS下行反馈极少适用场景 FDD 系统 具有信道互易性的 TDD 系统灵活性 受限于码本条目 高度灵活接近最优表 1基于码本与非码本 L1 波束赋形对比。在基于码本的操作中基站和用户设备UE共享一组预定义的预编码矩阵。UE 测量下行信道并上报与信道最匹配的预编码矩阵指示PMI。在非码本操作中通常用于时分双工TDD系统基站利用信道互易性它从探测参考信号SRS估计上行信道并直接计算最优的下行波束权重。图 3覆盖扇区的波束网格码本每个波束对应一个码本条目。五、用于 L1 波束赋形的参考信号物理层波束赋形依赖若干物理层参考信号来实现信道测量和波束选择。这些信号是精确波束控制的基础。参考信号 在 L1 波束赋形中的作用SSBSS/PBCH 块 承载波束扫描的同步信号用于小区搜索期间的初始波束获取。CSI-RS 下行参考信号UE 用它来测量信道状态并选择最佳波束 / PMI。SRS 上行探测信号在 TDD 系统中支持基于互易性的下行波束赋形。DMRS 解调参考信号使用与数据相同的波束权重进行预编码使 UE 能够相干解调。表2用于波束赋形的关键 L1 参考信号。六、物理层控制的低时延优势在物理层执行波束赋形的一个关键优势是其极低的时延。由物理层直接处理的波束决策和调整可在不到一毫秒的时间内完成而升级到 MAC第二层或 RRC第三层的波束控制决策则会产生显著更高的延迟。这使得 L1 波束赋形对于跟踪快速移动的用户以及从波束遮挡中快速恢复至关重要。图 4按协议层划分的典型波束控制时延对数刻度。七、L1 硬件架构L1 波束赋形的物理实现方式取决于数字基带处理与模拟射频硬件之间的映射。模拟波束赋形使用移相器在射频域施加权重数字波束赋形在基带对每个天线施加权重而混合波束赋形则将两者结合以在灵活性与成本之间取得平衡。在毫米波 5G 中混合架构最为常见因为为数百个单元配置完全数字化的链路成本高昂且功耗巨大。八、结论物理层波束赋形是所有 5G 波束管理赖以构建的物理基础。通过在物理层对天线阵列施加精确的复数权重它产生聚焦的波束克服高频传播损耗同时实现极低时延的波束跟踪和恢复。在 SSB、CSI-RS 和 SRS 等参考信号的支持下并通过基于码本或基于互易性的预编码来实现L1 波束赋形提供了定义 5G 性能的精细空间控制。随着网络向 5G-Advanced 和 6G 演进L1 波束赋形将融入 AI 辅助的权重计算和日益庞大的天线阵列。